[地热发电] 李克文:热能直接发电技术与设备研发

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发表于 2015-8-16 09:38:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 dayi716 于 2016-5-3 15:59 编辑

本文摘自第四届国际分布式能源及储能技术设备展览会,李克文教授发言。
      
      我今天要讲的就是热能直接发电,前面几位专家做了很好的有关地热方面的专题报告,大家知道我们要搞地热能的应用,首先因为是资源,我们前面几位专家对我国地热资源进行详细的分析,我不多说了。关于浅层地热能的利用,我们王参事有很多详细的数据,郑克棪主任也谈到了。我这里讲发电,因为我们国家的地热能的直接利用,在国际上排名应该是首一、首二,统计数据不是很全面,正如郑克棪教授所说的,我们现在中国的地热能的利用的关键问题是在发电方面,因为 我们从国际上的排名前10名一直落后到了18名,统计的是24个国家,不能说我们技术就能解决发电问题,但是我们是朝这个方向去努力。
      我叫李克文,中国地质大学教授,在这之前在北京大学担任过教授,美国斯坦福大学地质研究中心工作了十多年,现在每年还去那边待将近半年左右的时间。
      今天给大家介绍的是背景介绍,我们有1000瓦实验室的研发工作,还有就是讨论与结论。
      前面有的讲分布式能源说到地热发电或者余热发电的方式,我们热能发电最直接的方式把热能转化为机械能,再转化为电能,什么叫热能直接发电,我们从热能直接到电能,这个概念给太阳能光伏发电有点类似,我们知道太阳能把太阳光打到光伏板上就可以发电,我们只要把热量或者说热的流体经过发电板,我这个可以发电,省略了几大设备,省去了很多麻烦,检修周期等等这一系列问题就没有了,我不需要发电机,机械能转化电能这个过程省略了。我谈一下TEG技术,热点转换系统。
      在回答这些问题之前,为什么利用这个TEG技术,为什么利用热能直接发电,我们对于地热能来说,温度比较高的时候,150度的时候,直接用干蒸机就可以发电,这个应该来说历史上最悠久的,比如说羊八井。你采出来的水比较热,但是不是蒸汽,这可以进行散蒸,再驱动涡轮机进行发电,这个温度一般需要100度以上。还有一个就是所谓的双循环发电系统,这个就是温度低于100度,比如说90度,水不能变成蒸汽,另外一种工具,类似于空调的氟利昂。整体来讲,你可以蒸发地下水,这里面有几种循环,一种是机朗肯和Kalina循环,一般采用机浪肯循环。从目前统计来看,它的温度,我们国家70年代六七十度发电,发电效率相对来说比较低,国内来看如果说温度在70度到90度的范围,一方水大概能发一度电左右。而国际上能到5到6度,他们的效率应该比我们高了好几倍。
      现在简单介绍了我们现有的发电方式,我们统计了一下地热发电跟一些其他新能源的发电的增长速度,比如说我选用了两种,一种是光伏发电,一种是风能,大家可以看出来,这是地热能全球整个装机容量,这是风能的,这是太阳能的。尽管地热能用得很早,但是我们的发展速度相对来说比较慢的,太阳能是指数式的发展,它的速度非常快。据统计,中国过去五年生产的所有的光伏发电的装机容量等于全世界过去40年地热发展装机容量,大家不要被这个数据所迷惑。地热发电有它独特的优势,往往我们说太阳能增加多少兆瓦,如果说把这张图转换成每年发电的能量,我们现在全球地热能发的与太阳能基本相等,就是因为我们的地热能有效利用率最高的可以达到95%以上,平均也在90%左右,我们太阳能只有百分之十几。
      大家知道,一天24小时,只有8个小时有太阳,只有中午的强度是最大的,不是说太阳能不好,我是说地热能在这方面有很多的优势,别看发展速度很快,目前来看地热能发电量还是和它基本上相平等的。增长速度地区很慢,这是我们需要解决的问题。太阳能有这么快的原因是什么,第一是可分布式的,第二模块化能力很强。为什么地热能不能够采用类似太阳能发电的装置进行发电呢?如果说找到这样一种方式,地热能发电是不是也有可能指数式的爆炸式的增长速度,我们之所以选用TEG经过了多年系统的比较和研究,我们确定采用TEG。它的优点,温度可以低,从技术的角度来说,低至40度都可以发电,这是一个方面。
      还有其他很多的优点,下面我简单介绍一下,它的原理,这里有一个Z端,有一个半导体,冷端跟这端的温度不一样,运营速度也不一样,产生了电动差,这个地方就是一个电压差,可以产生电压。这是它的原理,比较简单,而且应用得也比较早,技术优势没有噪音,也容易模块化,跟太阳能光伏一样,结构也紧凑,而且也易于我们维护,高稳定性和可靠性,我们没有任何运动部件,它的维护基本跟太阳能相同的,我们所谓的材料也是多种多样,可以是半导体的,也可以是聚合物的等等,看你运用在什么环境。
      谈到优势,还有适应于环境,不管海洋还是旅游景点,特殊环境和景点,美国做报告的时候,去年美国GRC地热资源委员会的年会上面,我做的就是这个报告获得了最佳论文奖,有一个人找到我,我们那边不允许进去任何带的东西,少数民族原住民的方式,但是又需要电,问我能不能用这种发电方式,我说可以,应用很广泛。这是这个系统的发电图,你热水也可以,我们打出来的井,油田产生的废液也可以。这是去年代表中国地质大学在上海世博会上参展的小型200瓦的装置,这是模拟的,不会超过90度、100度,我们把这个水,这个塑料管,通到这里面,我们就可以发电,发电可以直流也可以交流,这是简单的展览的情况。
      我们实验结果,比如说,它的发电功率的稳定性其实相当不错的,需求的工艺与温差的关系,我们从20个温差可以发电,而且这里有点像指数,不完全是直线,我的功率是增加的。在国内外的研究,在国际上发电已经有很多年了,1989年NASA用到这个TEG。日本在汽车发电,100瓦,NASA功率很小,大概几十瓦,日本是100瓦,在美国能源部他们当时支持的项目,是1000瓦的项目,卡车温度可以很高,当时基本实现了1000瓦,但是很不稳定,而且寿命很短,这个项目基本上现在已经取消了,没再推广,这是高温发电,达到300度的概念。
      2009年Thacter,温度多比较高。威尔士大学教授发明了的电动汽车。500瓦的,大概需要280度的温度。整体上来讲,它的功率是比较小的,最新的是2013年去年100瓦的发电,也是卡车进行发电。200W热能直接发电装置,我们在这方面进行了1000W的改进,也做了其他方面的研究。我们这个1000W的设备长11米多一点,宽30多公分,最高20多公分的样子,体积很小,就是1000W,这个温度1000W是90度的温度条件下,据我们的调查,目前在国际上90度发1000W是最大的。我们这个不能够用到300度,只能够到200度,300度可以做,但是要换材料,我们这个可以达到30年,如果大家发现在90度的情况下,能够达到1000W,真正实现的请大家告诉我。
      最关键的是成本的问题,我们进行了很多方法的研究,效率可以达到4%左右,但是取决于你的温差。我们知道TEG的理论很简单,一直没有大功率的出现,实际上就是成本问题解决不了,当时在斯坦福大学的时候,也跟他们有合作,也进行了攻关研究,300度的高温成本没降下来,200度的成本已经降下来了,按这个算,可能算得有点太乐观了,现在基本上跟太阳能比,这是太阳能,这是风能,这是TEG,我们热能直接发电比太阳能高很多,如果说考虑刚才我说的载荷系数 以后有效利用系数以后,我们的TEG比太阳能的成本低很多,如果说你按照投资收益率我们可以达到20%左右,如果按电价一块钱来算,我们大概是5年就可以回收,如果按照5毛钱需要10年,但是现在我在想,如果说地热发电能够得到国家给太阳能的政策,我们完全可以大规模使用了,我们1000W也可以使用了,因为大家知道我们这两天的会议主题是分布式能源,我们调查了另外一个报告,光是油田系统,油田区,我们三桶油,中石油、中石化、中海油,上万口井甚至十几万口井需要几千瓦,还有很多情况下就需要一两千瓦左右,我们完全可以使用了,只要我们得到国家给太阳能光伏发电的政策给我们地热发电,我们的效益,这还是实验室规模的成本的测算,没有考虑大规模生产以后它的成本的降低,这个规模扩大以后还要成本降低,我们非常有信心。去年这个展览以后很多公司找到我们,希望合作,把这个扩大。
      总体来讲,我们在实验室已经实现了1000W的发电系统,这是我们的硬结构。我们在输出功率相同的前提下,与太阳能相比我们更具有吸引力和竞争力。我们现在准备进行现场实验,给大家通报一下,4月份准备好了,不是在实验室,拿到用户的现场进行实验。

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